卫星通信雨衰论证
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卫星通信雨衰论证
摘要：卫星通信在输油管道的语音通信、自动化信号传输和应急抢险中起着不可替代的作用,而卫星信号的传输随着使用频段的变化,受降雨的影响也有很大相同。
本文依据兰成渝输油管道系统的卫星通信应用,探讨在C波段、Ku波段雨衰对卫星通信各个技术指标的改变,同时根据多年卫星通信维护经验,总结出在不同频段下,克服或减少雨衰对通信影响的措施。
关键词：卫星通信雨衰Ku波段兰成渝管道
兰成渝输油管道卫星通信系统采用香港亚洲卫星公司3S卫星的Ku波段转发器,卫星位置为东经105.5°,采用正交双线极化方式。
降雨对Ku波段卫星通信的影响比较严重,在兰成渝卫星通信系统组网和调试运行中,我对Ｋｕ波段信号的特点有了全面的了解,尤其是对雨衰的影响有了本质性的认识,提出一套切实可行的预防雨衰的具体改进措施。
1、Ku波段卫星通信的主要特点
(1)Ku波段卫星单转发器功率一般比较大,多采用赋形波束覆盖,卫星EIRP较大,加上Ku波段接收天线效率高于C波段接收天线,因此Ku波段的天线口径远小于C波段,从而可有效地降低接收成本。
(2)C波段卫星通信遭受地面微波等干扰源的同频干扰比较严重,而Ku波段的地面干扰很小,大大地降低了对接收环境的要求。
鉴于兰成渝输油管道的特殊地理地貌,更适合采用Ku波段。
(3)降雨对Ku波段卫星通信的影响比较严重,其上下行信号降雨衰耗远大于C波段,暴雨情况下Ku波段上行或下行链路瞬间雨衰量可超过20dB,而C波段最大雨衰量一般不超过1dB。
(4)Ku波段还有通信距离远,建设成本与通信距离无关、不受地理环境影响,卫星覆盖区域内的任何点可实现通信。
通信容量大,可自发自收等特点。
2、雨衰的产生及影响
当电磁波穿过降雨的区域时,雨不仅吸收电波能量,而且对电波产生散射。
这种吸收和散射共同形成电波衰减,我们称为雨衰。
雨衰的大小与雨滴直径与波长的比值有着密切的关系,当信号的波长比雨滴大时,散射衰减起决定作用,当电磁波的波长比雨滴小时,吸收损耗起决定作用,无论是吸收或散射作用,其效果都使电波在传播方向遭受衰减;当电磁波的波长和雨滴直径越接近时衰减越大,一般情况下（比如中短波）电磁波的波长远大于雨滴直径,故衰减很小,Ｃ波段信号受雨衰的影响也可以忽略。
对于10GHz以上的电磁波,雨衰的影响就非常明显了,在链路计算中必须考虑雨衰的影响。
频率越高雨衰的影响越大,大雨和暴雨的对电磁波的衰减要比小雨大得多。
3、克服雨衰影响的几项措施
考虑Ku频段抗雨衰策略时,首先应准确得到某一特定区域的降雨衰减。
在此基础上国际上一般采取如下抗雨衰策略:(1)链路的备余量:Ku频段卫星通信链路通常留6dB余量,在高降雨地区,完全靠这种方法不现实,应在具备适当链路余量的基础上,综合考虑其他方法。
但这种方式将会占用过多的卫星资源,在晴空时造成资源浪费,下大雨时,可能又不够用。
(2)功率控制:对于Ku波段的卫星通信系统,建议在地球站设置上行链路自适应功率控制(AUPC),或者进一步采用以网络管理为基础的全网自动功率控制(APC)或动态功率控制(DPC)系统,才能有效地对抗降雨衰耗的影响。
(3)采用编码及降速率技术:在雨衰较大时,可以采用前向纠错编码技术(FEC)来减小传输的误码率。
(4)空间分集技术:在多雨或卫星仰角很低的地区,
由于Ku波段的特点,降雨衰减非常大,采用空间分集技术(也称站分集技术)是一种很有效的办法。
(5)极化方式的选择和天线的选择:不同雨滴形状对信号的衰减也不相同。
随着雨滴的体积的增大,雨滴在水平方向的直径也逐渐增大。
(6)采用低噪声高增益的优质高频头（LNB)现用于接收Ku频段卫星信号的LNB,一般噪声系数为0.8dB,噪声系数在0.6dB便是十分低的噪声,如使用噪声系数为0.7dB的,其增益可达到60dB。
(7)采用双频组合通信:由于低频波段雨衰影响较小,当系统检测到雨衰超过一定门限时。
自动切换卫星通信电波至低频段确保通信信号的稳定。
通过综合理论计算和一年来的实际测试,我总结出了一些在兰成渝切实可行的克服雨衰的措施,主要有以下几方面:
(1)加大卫星天线的尺寸,使收集到的卫星信号更强,降低因雨衰而断讯的机率。
Ku波段卫星数字通信上行系统所使用的上行天线波束半功率角度很窄,对天线的机械精度和跟踪精度提出了更高的要求。
在兰成渝通信设备招标中,天线采用西安504所的3米环焦天线,发射增益50.8dB,接收增益49.8dB,比2.4米天线提高了1.8dB。
(2)加大卫星发射功率,使平均的讯号场强加大。
兰成渝通信设备采用美国ANACOM公司的室外单元,在主站采用25W高功放,提高降雨储备余量。
同时减少Ku波段馈线损耗,尽可能缩短高功放设备至上行天线间的波导馈线距离,我们在设备安装过程中具体控制在1米以内,将上变频器高功放紧靠天线放置,以最大限度地节省高功放输出功率。
(3)采用性能高可靠的卫星转发器,减少雨衰的影响。
兰成渝输油管道卫星通信系统采用香港亚洲卫星公司3S卫星的Ku波段转发器,亚洲3S卫星Ku波段采用140瓦行波管放大器,在国内最高下行EIRP可达55dBw,是目前覆盖中国最高功率的Ku波段转发器。
对于Ku波段网络,高下行功率可提高雨衰的储备。
就数字载波而言,在同样空间段带宽下,可提高传输数码率,地球站天线口径也可以更小。
(4)增加上行功率控制,有效控制增益调节。
利用上行天线接收下来的卫星信标强度的变化来控制上行功率控制器中频单元的增益或衰减量,从而相应地改变上变频器的中频输入电平,自动增加或降低高功放输出功率,这是最重要的调节手段。
我们在加拿大NSI通信公司的VSATPLUS2设备上选择增加上行功率控制,正确调整信标接收机和功率控制器斜率,即通过精确测量和调整要使信标接收机的斜率数值V/dB与功率控制器控制单元设定的斜率数值dB/V一致,这样才能保证正确的上行功率控制。
4、结语
通过兰成渝输油管道卫星通信系统一年多的运行,上述几项措施能有效克服雨衰对通信系统的影响,一般雨衰增益调节控制在20dB左右,提高了兰成渝管道卫星通信系统的可靠性和稳定性。
但由于卫星系统自身的原因,如遇到云层太厚或雨太大,卫星信号根本无法穿透障碍物等情况,仍会使VSAT通信系统中断,有待在实践中进一步研究总结。
